專利名稱：一種超高倍率、超長循環(huán)壽命納米磷酸鐵鋰動力電池及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及鋰離子二次電池制造技術領域，具體涉及一種超高倍率、超長循環(huán)壽命納米磷酸鐵鋰動力電池及其制造方法。
背景技術：
磷酸鐵鋰動力電池是新一代鋰離子二次電池，磷酸鐵鋰中的主要元素鐵、磷在大自然中不但蘊藏量非常豐富，而且價格相對低廉，并且綠色環(huán)保、性能優(yōu)越，對于純電動汽車、混合動力汽車的大范圍普及具有重大意義；磷酸鐵鋰動力電池具有穩(wěn)定的橄欖石結(jié)構(gòu)， 所以非常安全；通過對磷酸鐵鋰正極材料的納米化與金屬元素摻雜使磷酸鐵鋰動力電池具有非常好的高倍率性能；通過對磷酸鐵鋰正極材料的純度提高和電池的制作工藝的改進， 使原本磷酸鐵鋰所具備的優(yōu)秀的循環(huán)性能得到了更好的提高，同時大大降低了電池的自放 H1^ ο目前存在的問題正因為動力電池對倍率等性能的要求越來越高，致使生產(chǎn)電池所使用的正極材料原始粒徑越來越小以至納米化，而且納米化的磷酸鐵鋰正極材料具有很強的吸水性，一旦吸水受水污染后，用傳統(tǒng)的烘料溫度及真空度無法將電池中正極材料的結(jié)晶水、結(jié)合水烘出來，同時因為正極粉料的納米化使在制作電池正極片時與在電池以后的使用過程中，產(chǎn)生納米化的粉料與普通的鋁箔粘結(jié)牢度達不到工藝要求，而且使用傳統(tǒng)混料方式和電池制作工藝很難將納米化的磷酸鐵鋰粉料分散均勻，導致電池倍率性能、循環(huán)性能、低溫性能、電芯一致性等都達不到電動汽車所需電池的要求。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種超高倍率、超長循環(huán)壽命納米磷酸鐵鋰動力電池及其制作方法，是通過對生產(chǎn)磷酸鐵鋰正極粉料的環(huán)境濕度控制與電池制作環(huán)境濕度的控制，獨特的砂磨分散工藝，在鋁箔上預涂納米碳粒，使正極材料與涂碳鋁箔之間的粘結(jié)牢度得到極大的提高，制作出的電池具有超高倍率、超長循環(huán)、優(yōu)秀的低溫、自放電性能和優(yōu)秀的一致性。本發(fā)明的技術方案是通過以下方式實現(xiàn)的一種超高倍率、超長循環(huán)壽命納米磷酸鐵鋰動力電池及其制作方法，以重量百分比計，包括以下步驟1)控制環(huán)境濕度；2)配置 LFP預混液；3)砂磨；4)高磁過濾；5)過濾器過濾；6)配置膠液；7)制備漿料；8)涂碳鋁箔與極片涂布；9)熱輥極片；10)真空烘烤；11)檢驗，其特征在于
1)、控制環(huán)境濕度生產(chǎn)磷酸鐵鋰正極粉料的環(huán)境溫度為M±5°C，環(huán)境濕度露點溫度控制在_45°C以下，使磷酸鐵鋰正極粉料的水分在400°C的水分測試下不超過200ppm，保證電池極片不受二次水污染；
2)、配置LFP預混液設LFP預混液重量為100%，LFP預混液中磷酸鐵鋰固體粉末重量占40%-70%，NMP溶劑重量占60%-30% ；取NMP溶劑重量的70% 80%，加入到高速雙軸攪拌機內(nèi)，加入占LFP預混液重量40%_70%的磷酸鐵鋰固體粉末，在高速雙軸攪拌機內(nèi)低速、高速同時攪拌，攪拌時間30 90分鐘，再次取NMP溶劑重量的20% 30%，加入到高速雙軸攪拌機內(nèi)，再低速、高速同時攪拌，攪拌時間20 60分鐘，配置成磷酸鐵鋰固體粉與NMP溶劑相溶的LFP預混液；
所述的NMP溶劑是N-甲基吡咯烷酮溶劑。所述的LFP是磷酸鐵鋰粉料的簡稱。所述的高速雙軸攪拌機的低速、高速分別為30 rpm/分和SOOrpm/分。3)、砂磨將LFP預混液通過砂磨機砂磨使得預混液混合均勻，砂磨后磷酸鐵鋰溶液粒徑控制D10 > 0. 02um, D50:0. 5_2um，D90 < 6um ；
所述的砂磨機參數(shù)為砂磨速度500rpm 2000rpm，砂磨流量0. lkg/min ^ig/ min，砂磨機所用的氧化鋯球粒徑為0. 1 3mm。4)、高磁過濾將步驟幻的LFP預混液通過高磁過濾器過濾，高磁過濾器的磁場強度在1000高斯 20000高斯之間；
5)、過濾器過濾將步驟4)的LFP預混液通過120目 200目過濾器過濾，得到磷酸鐵鋰固含量為40%-70%的LFP預混液；
6)、配置PVDF膠液取1% 15%的PVDF粘結(jié)劑與99% 85%的NMP溶劑按正常工藝攪拌配置成PVDF膠液；
所述的PVDF為聚偏二氟乙烯粉末。7)、制備漿料稱取步驟5)中的LFP預混液，加入量為漿料總重量的35% 45%， 放入雙軸高速攪拌機內(nèi)，加入VGCF導電劑粉末，加入量為漿料總重量的0. 5% 2%，低速、高速同時攪拌5-120分鐘，加入導電劑Super-P粉末，加入量為漿料總重量的0. 5% 2%，低速、高速同時攪拌5-120分鐘，加入PVDF膠液，加入量為漿料總重量的15% 25%，低速、高速同時攪拌5 -120分鐘，加入剩余固含為40%-70%的LFP預混液，加入量為漿料總重量的 35% 40%，低速、高速同時攪拌10 -300分鐘，抽真空低速攪拌一小時后，過120目篩網(wǎng)，配置成1000-20000cpS粘度的漿料；
所述的VGCF為氣相碳纖維，俗稱碳納米管。所述的Super-P為人造導電碳。所述的雙軸高速攪拌機的低速為20-30 rpm/分、高速為2000rpm/分，真空度為-0. 095Mpa。8)、涂碳鋁箔與極片涂布取厚度為1 50um的預涂碳的鋁箔，鋁箔涂碳的單面厚度為0. 1 10um，將步驟7)得到的漿料均勻的涂在涂碳鋁箔的表面，涂在涂碳鋁箔表面的漿料極片單面面密度為10 600g/m2 ；
9)、熱輥極片將漿料極片通過熱輥壓機加熱輥壓，得到平整而均勻的納米磷酸鐵鋰正極極片；
所述的熱輥壓機的加熱溫度為50 200°C，極片厚度控制在143um 146um，壓實密度在 1. O 3. Og/cm3。10)、真空烘烤將輥壓好的極片分切成56mm寬的極片后，焊極耳、貼絕緣高溫膠紙后，放入溫度為120°C烘箱內(nèi)抽真空烘烤12小時；烘烤好的正極片與烘烤好的負極片配隔膜紙手動卷繞成18650電齓入18650鋼殼輝接，棍槽后放入溫度為80°C烘箱內(nèi)抽真空烘烤96小時。
11)、檢驗取電解液為 EC:DMC:EMC=1:1:1、LiPF6 濃度為 lmol/L，添力口 2%VC，電解液加入量為0. 6g，抽真空后封口，放置48小時化成后，檢測容量、內(nèi)阻。用本發(fā)明，加工制作的納米磷酸鐵鋰電池的內(nèi)阻、循環(huán)性能、高倍率放電、低溫性能等都遠優(yōu)于普通工藝制造的電池，電池的自放電遠低于普通工藝制造的電池。本發(fā)明通過獨特的砂磨分散工藝，解決了磷酸鐵鋰粉料的分散混合均勻問題；通過對生產(chǎn)磷酸鐵鋰正極粉料的環(huán)境濕度控制與電池制作環(huán)境濕度的控制，解決了磷酸鐵鋰正極材料因納米化而產(chǎn)生的吸水污染問題；通過在鋁箔上預涂納米碳粒，使正極材料與涂碳鋁箔之間的粘結(jié)牢度得到非常大的提高，同時降低了電池的內(nèi)阻，減少了電池的發(fā)熱，大大提高了電池的循環(huán)壽命，使電池在高倍率下的循環(huán)壽命從2000次增加到了 8000次以上；其性能均完全滿足電動汽車用電池、賽車用電池所需的要求。


圖1 是經(jīng)過特殊砂磨工藝的LFP材料的TEM電鏡圖(案例一) 圖2 是經(jīng)過特殊砂磨工藝的LFP材料的TEM電鏡圖(案例二)
圖3 是經(jīng)過特殊砂磨工藝的LFP材料的TEM電鏡圖(案例三) 圖4 是未經(jīng)特殊砂磨工藝的LFP材料的TEM電鏡圖(案例四) 圖5 是四個實例中制作電芯內(nèi)阻對比圖。圖6 是四個實例中制作電芯初次放電容量對比圖。圖7 是四個實例中制作電芯大電流IOC放電容量對比圖。圖8 是四個實例中制作電芯大電流30C放電容量對比圖。圖9 是四個實例中制作電芯自放電對比圖。圖10 是四個實例中制作電芯微短路對比圖。圖11 是四個實例中制作電芯長時間IC循環(huán)對比圖。具體實施方法實施例一
一種超高倍率、超長循環(huán)壽命納米磷酸鐵鋰動力電池及其制作方法，以重量百分比計， 包括以下工藝步驟
1、控制環(huán)境濕度首先確保在生產(chǎn)磷酸鐵鋰正極粉料時的環(huán)境濕度，環(huán)境濕度露點溫度控制在_45°C以下，使磷酸鐵鋰正極粉料的水分在400°C的水分測試下不超200ppm，同時確保電池制作環(huán)境濕度，保證電池極片不受二次水污染。2、配置LFP預混液取N-甲基吡咯烷酮溶劑(以下簡稱NMP溶劑)2. Okg,加入到特制的雙軸攪拌機內(nèi)，加入磷酸鐵鋰3kg后攪拌，低速30rpm，高速800rpm，同時攪拌60min 后，加入NMPO. 66kg，低速30rpm，高速2000rpm，同時攪拌30min。配置成磷酸鐵鋰固體粉與 NMP溶劑相溶的LFP預混液，使得LFP預混液中磷酸鐵鋰固體粉末占LFP預混液的53%，NMP 溶劑占LFP預混液的47%。3、砂磨將步驟2得到的LFP預混液通過砂磨機砂磨，砂磨機速度為lOOOrpm，砂磨機使用氧化鋯球為1mm，加入量為內(nèi)腔容量的80%，流量為0. 3kg/min,出口溫度控制在65 度以下，砂磨后檢測預混液粒徑D10:0. 095um，D50:l. 65um，D90: 4. 58um。粘度43cps。4、高磁過濾砂磨結(jié)束后，通過12000GS高磁過濾器、高磁過濾器的磁場強度在1000高斯 20000高斯之間。5、過濾器過濾將步驟4)的LFP預混液通過200目過濾器過濾。6、配置PVDF膠液取PVDF (聚偏二氟乙烯粉末)與NMP溶劑按正常工藝攪拌配置成8%膠液。7、制備漿料稱取經(jīng)砂磨后含磷酸鐵鋰53%的LFP預混液2. 9kg,放入特制雙軸高速攪拌內(nèi)，加入VGCF (碳納米管)導電劑65g，低速30rpm，高速2000rpm，同時攪拌30min， 加入Super-P (人造導電碳)65g，低速30rpm，高速2000rpm，同時攪拌60min，加入8%膠液1. 63kg，低速30rpm，高速2000rpm，攪拌60rpm，加入固含為53%的磷酸鐵鋰預混液 2. 76kg，低速30rpm，高速2000rpm，真空度為-0. 095Mpa,同時攪拌90min，低速20rpm，真空度為-0. 095Mpa，攪拌60min后，過120目篩。配置總重量為7. 42kg的漿料。8、涂碳鋁箔與極片涂布涂布環(huán)境條件濕度露點在_45°C以下，環(huán)境溫度在 。取20um涂碳鋁箔，涂碳單面面密度為0. 6g/m2，將配置好的漿料在涂布機上雙面涂布。
涂布極片單面面密度為125g/m2，雙面為250g/m2。9、熱輥壓片將涂布好的極片在輥壓機上壓片，熱輥壓環(huán)境條件濕度露點在-45°C以下，環(huán)境溫度在M°C，輥壓溫度為120°C，極片厚度控制在143um 146um，壓實密度在2. Og/cm3。10、真空烘烤將輥壓好的極片分切成56mm寬的極片后，焊極耳、貼絕緣高溫膠紙后，放入溫度為120°C烘箱內(nèi)抽真空烘烤12小時；烘烤好的正極片與烘烤好的負極片配日本宇布公司產(chǎn)20um的隔膜紙手動卷繞成18650電池，入18650鋼殼焊接后，輥槽后放入溫度為80°C烘箱內(nèi)抽真空烘烤96小時。11、檢驗取電解液為EC:DMC:EMC=I: 1:1，LiPF6濃度為lmol/L，添加2%VC，電解液加入量為0. 6g。抽真空后封口，放置48小時后，化成后，檢測容量、內(nèi)阻。如圖1所示，是本實施例的LFP材料的TEM電鏡圖。其內(nèi)阻、電芯初次放電容量、 電芯大電流IOC放電容量、電芯大電流30C放電容量、電芯自放電、電芯微短路、電芯長時間 IC循環(huán)如圖5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10和圖11所示
內(nèi)阻
權利要求
1. 一種超高倍率、超長循環(huán)壽命納米磷酸鐵鋰動力電池及其制作方法，以重量百分比計，包括以下步驟1)控制環(huán)境濕度；2)配置LFP預混液；3)砂磨；4)高磁過濾；5)過濾器過濾；6)配置膠液；7)制備漿料；8)涂碳鋁箔與極片涂布；9)熱輥極片；10)真空烘烤；11) 檢驗，其特征在于1)、控制環(huán)境濕度生產(chǎn)磷酸鐵鋰正極粉料的環(huán)境溫度為M±5°C，環(huán)境濕度露點溫度控制在_45°C以下，使磷酸鐵鋰正極粉料的水分在400°C的水分測試下不超過200ppm，保證電池極片不受二次水污染；2)、配置LFP預混液設LFP預混液重量為100%，LFP預混液中磷酸鐵鋰固體粉末重量占40%-70%，NMP溶劑重量占60%-30% ；取NMP溶劑重量的70% 80%，加入到高速雙軸攪拌機內(nèi)，加入占LFP預混液重量40%-70%的磷酸鐵鋰固體粉末，在高速雙軸攪拌機內(nèi)低速、高速同時攪拌，攪拌時間30 90分鐘，再次取NMP溶劑重量的20% 30%，加入到高速雙軸攪拌機內(nèi)，再低速、高速同時攪拌，攪拌時間20 60分鐘，配置成磷酸鐵鋰固體粉與NMP溶劑相溶的LFP預混液；3)、砂磨將LFP預混液通過砂磨機砂磨使得混合均勻，砂磨后磷酸鐵鋰溶液粒徑控制=DlO > 0. 02um, D50:0. 5_2um，D90 < 6um ；4)、高磁過濾將步驟；3)中的LFP預混液通過高磁過濾器過濾，高磁過濾器的磁場強度在1000高斯 20000高斯之間；5)、過濾器過濾將步驟4)的LFP預混液通過120目 200目過濾器過濾，得到磷酸鐵鋰固含量為40%-70%的LFP預混液；6)、配置膠液取1% 15%的PVDF粘結(jié)劑與99% 85%NMP溶劑按正常工藝攪拌配置成PVDF膠液；7)、制備漿料稱取步驟5)中的LFP預混液，加入量為漿料總重量的35% 45%，放入雙軸高速攪拌機內(nèi)，加入VGCF導電劑粉末，加入量為漿料總重量的0. 5% 2%，低速、高速同時攪拌5-120分鐘，加入導電劑Super-P粉末，加入量為漿料總重量的0. 5% 2%，低速、高速同時攪拌5-120分鐘，加入PVDF膠液，加入量為漿料總重量的15% 25%，低速、高速同時攪拌5 -120分鐘，再加入固含為40%-70%的LFP預混液，加入量為漿料總重量的35% 40%，低速、高速同時攪拌10 -300分鐘，抽真空低速攪拌一小時后，過120目篩網(wǎng)，配置成 1000-20000cps粘度的漿料；8)、涂碳鋁箔與極片涂布取厚度為1 50um的預涂碳的鋁箔，鋁箔涂碳的單面厚度為 0. 1 10um，將步驟7)得到的漿料均勻涂在涂碳鋁箔的表面，涂在涂碳鋁箔表面的漿料極片單面面密度為10 600g/m2 ；9)、熱輥壓片將漿料極片通過熱輥壓機熱輥壓，加熱，得到輥壓壓實密度為1.0 3. Og/cm3、平整而均勻的納米磷酸鐵鋰正極極片；10)、真空烘烤將輥壓好的極片分切成56mm寬的極片后，焊極耳、貼絕緣高溫膠紙后， 放入溫度為120°C烘箱內(nèi)抽真空烘烤12小時；烘烤好的正極片與烘烤好的負極片配隔膜紙手動卷繞成18650電池，入18650鋼殼焊接，輥槽后放入溫度為80°C烘箱內(nèi)抽真空烘烤96 小時；11)、檢驗取電解液為EC:DMC:EMC=1:1:1、LiPF6濃度為lmol/L，添加2%VC，電解液加入量為0. 6g，抽真空后封口，放置48小時、化成后，檢測容量、內(nèi)阻。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種超高倍率、超長循環(huán)壽命納米磷酸鐵鋰動力電池及其制造方法，其特征在于所述的步驟2)中的LFP是磷酸鐵鋰粉料。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種超高倍率、超長循環(huán)壽命納米磷酸鐵鋰動力電池及其制造方法，其特征在于所述的步驟2)中的高速雙軸攪拌機的低速、高速分別為30 rpm/分和 800rpm/ 分。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種超高倍率、超長循環(huán)壽命納米磷酸鐵鋰動力電池及其制造方法，其特征在于所述的步驟2)中的NMP溶劑是N-甲基吡咯烷酮溶劑。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種超高倍率、超長循環(huán)壽命納米磷酸鐵鋰動力電池及其制造方法，其特征在于所述的步驟3)中的砂磨機參數(shù)為砂磨速度500rpm 2000rpm，砂磨流量0. lkg/min ^g/min，砂磨機所用的氧化鋯球粒徑為0. 1 3mm。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種超高倍率、超長循環(huán)壽命納米磷酸鐵鋰動力電池及其制造方法，其特征在于所述的步驟6)中的PVDF為聚偏二氟乙烯粉末。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種超高倍率、超長循環(huán)壽命納米磷酸鐵鋰動力電池及其制造方法，其特征在于所述的步驟7)中雙軸高速攪拌機的低速為20-30 rpm/分、高速為 2000rpm/ 分，真空度為-0. 095Mpa。
8.根據(jù)權利要求1所述的一種超高倍率、超長循環(huán)壽命納米磷酸鐵鋰動力電池及其制造方法，其特征在于所述的步驟7)中VGCF導電劑粉末為碳納米管導電劑粉末。
9.根據(jù)權利要求1所述的一種超高倍率、超長循環(huán)壽命納米磷酸鐵鋰動力電池及其制造方法，其特征在于所述的步驟7)中Super-P為人造導電碳。
10.根據(jù)權利要求1所述的一種超高倍率、超長循環(huán)壽命納米磷酸鐵鋰動力電池及其制造方法，其特征在于所述的步驟9)中的熱輥壓機的加熱溫度為50 200°C，極片厚度控制在143um 146um，壓實密度在1. 0 3. Og/cm3。
全文摘要
一種超高倍率、超長循環(huán)壽命納米磷酸鐵鋰動力電池及其制作方法，以重量百分比計，包括以下步驟1)控制環(huán)境濕度；2)配置LFP預混液；3)砂磨；4)高磁過濾；5)過濾器過濾；6)配置膠液；7)制備漿料；8)涂碳鋁箔與極片涂布；9)熱輥極片；10)真空烘烤；11)檢驗，本發(fā)明，加工制作的納米磷酸鐵鋰電池的內(nèi)阻、循環(huán)性能、高倍率放電、低溫性能等都遠優(yōu)于普通工藝制造的電池，電池的自放電遠低于普通工藝制造的電池。電池在高倍率下的循環(huán)壽命從2000次增加到了8000次以上；其性能均完全滿足電動汽車用電池、賽車用電池所需的要求。
文檔編號H01M10/0525GK102315486SQ20111027777
公開日2012年1月11日 申請日期2011年9月19日 優(yōu)先權日2011年9月19日
發(fā)明者丁建民 申請人:江蘇樂能電池股份有限公司